島狀凍土地區路基不均勻變形控制措施

張寶龍

0 引言

島狀凍土屬于高溫不穩定凍土。凍土地溫一般在 0 ℃～-1 ℃，對水熱變化敏感，狀態極不穩定，容易受到外界干擾迅速發生退化。凍脹和融沉引發的路基不均勻變形是島狀凍土區道路典型的病害形式。溫度、水分共同作用改變了凍土內部土體的力學性質，加之行車荷載的作用，就會引起路基病害[1]。

目前，治理凍土區路基不均勻變形有主動措施和被動措施兩大類。主動措施包括調控傳導和調控對流，如通風路基[2]、碎（片）石路基[3]及熱棒路基[4-5]。被動措施有兩類：一類是改變土體表面熱輻射條件，如增加路堤高度[6]，使用遮陽棚[7]，將瀝青路面粉刷成淺色來增加反射率；另一類是改變路基土體與大氣及原凍土熱傳導狀況，如在路基中設置保溫材料[8]、隔熱板等[9]。

本文通過調查內蒙古自治區境內島狀凍土地區路基病害，分析典型病害的類型和成因，在此基礎上提出路基不均勻變形的控制措施。

1 島狀多年凍土區路基典型病害類型及成因分析

1.1 路基典型病害類型

融沉、凍脹、翻漿等病害是島狀多年凍土區路基典型的病害形式。

（1）融沉。由于島狀多年凍土區地下冰層埋藏較淺，道路的施工及運營使多年凍土局部融化，含冰層轉化為高含水量層，土體力學性能大大下降，在行車荷載和上覆土層及路面結構的作用下，易發生較大沉陷，從而造成路基嚴重融沉變形，變形呈現不連續性，如圖1所示。由于該區域凍土的分布不連續，凍土的厚度不均勻，所以導致了該地區道路融沉的不均勻性。融沉變形的發生分為蠕變性融沉和突發性融沉。前者是逐漸發生的，在融化季節變形逐漸累加；后者是由于路基基底含冰量大的粘性土融化后處于飽和狀態，在車輛荷載的作用下，過飽和粘性土順著凍結面擠出，導致路堤瞬間產生突發性大幅度沉陷。

（2）凍脹。隨著溫度的降低，土體中的水結成冰，體積增大9%，造成路基土體發生凍脹變形。土體的凍脹變形常呈現不均勻性，如兩側路肩的拱起、路面的整體凍脹或者局部凍脹，如圖2所示。

（3）翻漿。路基經歷過冬季的凍脹后，在春融期間，路基上部開始融化，下部凍結或停止凍結，形成不透水層。上部土層中過多的水無法及時排出，造成土基軟弱，強度急劇降低；在車輛荷載的作用下，路面易發生彈簧、斷裂、鼓包和唧泥等病害現象，如圖3所示。

1.2 病害成因分析

溫度水分和行車荷載的作用是導致島狀凍土區路基產生病害的關鍵因素。

（1）水的影響。大氣降水、路側積水和地下水是引發凍土路基病害的主要原因。在溫度的作用下，水分有從高溫向低溫遷移的趨勢；當溫度低于0 ℃時，未凍結區的水分有向0 ℃凍結冰封線遷移的趨勢。水分的遷移與凍脹呈現不均勻趨勢，因此路基表現為不均勻凍脹變形。

（2）溫度的影響。凍土是極為敏感的地質體，溫度的升高與降低，會引起土體內部水分的融化與凍結，導致土體由融土變為凍土。由于一年四季溫度的大周期變化、一天之內溫度的小周期變化，致使土體內部發生水分的狀態變化及水分的遷移動力變化，從而引起土體力學強度的衰變。尤其是在道路修筑時，由于路面的吸熱作用，路基的高度、陰陽坡的差異等因素改變了原有地溫的平衡，致使凍土上限下降，多年凍土的融化，從而引發路基的不均勻變形。

（3）荷載的影響。交通荷載和路基、路面結構的自重是引起路基變形的重要因素之一。在水和溫度的共同作用下，路基土體的力學性能衰變，加之荷載的作用，致使路基發生不均勻的變形。

2 島狀凍土路基不均勻變形處治措施

通過現場調研和資料的整理，總結歸納中國凍土地區公路和鐵路路基不均變形的處治措施，如表1所示。由表1可知，以橋代路、熱棒路基的處治效果較好，但是工程造價較高；挖除凍土換填砂礫（碎石）可以徹底去除季節凍土層的影響；保溫路基可以使季節層下部多年凍土不融化。考慮到內蒙古地區博牙高速公路沿線為島狀多年凍土區，受氣候變暖和公路修筑的影響，為減小上部季凍層對路基變形的影響，采取破壞凍土的處理措施——徹底換填季凍層。XPS隔熱板可以起到很好的隔熱保溫效果。綜合考慮呼倫貝爾地區經濟發展、地質地貌、水文條件、各種措施的工程應用效果、環境保護等因素，決定挖除地表以下一定深度的凍土，換填碎石，鋪設土工格柵和XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）隔熱板。

3 試驗路的修筑

3.1 博牙高速概況

（1）公路等級與路面結構。博克圖至牙克石高速公路是綏滿國道主干線的重要組成部分，路線全長為134.195 km，采用雙向四車道標準建設，設計速度為100 km·h-1，路基寬度為26 m。試驗路段在21標K260+140～K260+340段，如圖4所示。路面結構為16 cm瀝青混凝土、20 cm水穩碎石基層、32 cm水穩砂礫底基層、20 cm砂礫墊層。

（2）氣候條件。該區為溫帶大陸性半濕潤氣候區，主要特征是：春季干燥風大，夏季溫涼短促，秋季氣溫驟降，霜凍早，冬季寒冷漫長。受地形及植被的不同影響，溫度自南向北逐漸遞減，年均氣溫1.7 ℃。最冷是1月，月平均氣溫-20.1 ℃。年極端最高氣溫38.5 ℃。全年日照時間為2 750～2 850 h。年平均降水量為458.4 mm，主要集中在6～8月，占全年降水量的70%。年均蒸發量為1 455.3 mm。年平均風速為3.4 m·s-1，主導風向為西北風。大部分地區在9月中旬出現早霜，無霜期90～130 d。積雪最大深度在18～50 cm。

（3）凍土分布。試驗路地表覆蓋約0.5 m左右腐植土，下一層為4.1～7.7 m粉質粘土（粉土），其下為泥巖或砂礫。K260+200處凍土上限為5.2 m，凍土層厚度為3.1 m，凍土類型為少冰凍土。K260+300處凍土上限為2.4 m，凍土層厚度為4 m，凍土類型為多冰凍土。試驗路段地質鉆孔柱狀圖如圖5所示。

3.2 試驗路段路基不均勻變形處治措施

不均勻變形的處治措施主要考慮凍土類型和凍土上限的深度，采用碎石換填、加鋪橫向土工格柵和鋪設XPS保溫板、坡腳處設置泥炭保溫護腳的措施。

（1）挖除地面線以下3 m深表層土，換填碎石。

（2）地表以上30 cm處鋪設橫向土工格柵，兩側格柵向上彎起重疊200 cm。

（3）針對少冰凍土段，在路基頂面以下30 cm處鋪設5 cm厚XPS板，板上鋪一層防水土工布，板下鋪設5 cm厚保護砂，如圖6所示。

（4）針對多冰凍土路段，路基頂面以下50 cm處鋪設5 cm厚XPS板，板上鋪一層防水土工布，板下鋪設5 cm厚保護砂，如圖7所示。

（5）坡腳設置泥炭保溫護腳。

3.3 試驗路段工后變形的監測

為了分析評價島狀凍土路基不均勻變形的處治效果，在路基壓實完成后，挖開路基埋設沉降板。沉降板裝配時，應整平地基，壓實之后在預埋位置挖去填料至地下50 cm處，埋入沉降板，并緊貼原地面回填夯實，如圖8所示。

對施工后路基表面的沉降變形監測1年，監測結果如圖9所示。從圖9可知，路基沉降在5個月左右基本趨于穩定，總變形量很小，在14～20 mm。由于路基填料為碎石，強度較大，并且在施工過程中采用沖擊壓實，因此減小了路基工后變形。路基修筑1年后，經過了凍脹與融沉，其變形相對較為穩定，表明本項目的處治措施在處理不均勻變形方面是有效的。

4 結語

（1）現場調研表明，融沉、凍脹、翻漿等病害是島狀多年凍土區路基典型的病害形式，從水、溫度和荷載的綜合作用角度，分析了病害發生的原因。

（2）在總結中國現有凍土地區公路和鐵路路基不均變形的處治措施的基礎上，考慮島狀凍土區凍土的工程特性，提出換填碎石、鋪設土工格柵和XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫塑料）隔熱板處治路基不均勻變形的措施。

（3）以博克圖至牙克石高速公路21標K260+140～ K260 +340段為依托，詳細介紹了路基不均勻變形的處治措施，并結合路基工后變形的監測，驗證了路基不均勻變形的處治效果有效。

參考文獻：

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